Utilización del grafeno para el almacenamiento de hidrógeno

Valentina Tozzini y Vittorio Pellegrini, del NEST-Istituto Nanoscienze, realizan una prospectiva de las características potenciales del grafeno para su uso en dispositivos de almacenamiento de hidrógeno (Fuente: Phys. Chem. Chem. Phys., 2013, 15, 80).

 Autora: [Isabel Rucandio – CIEMAT]

El hidrógeno está considerado en la actualidad como uno de los más prometedores combustibles “verdes”. Una de las claves para obtener tecnologías energéticas basadas en el hidrógeno es el desarrollo de sistemas fiables para su almacenamiento y transporte. Existen varias propuestas basadas en el diseño de materiales avanzados tales como hidruros de metal y diferentes estructuras de carbono que solventan ciertos problemas con respecto a la estrategia más convencional de compresión o licuefacción de hidrógeno en tanques. Sin embargo, ninguno de estos sistemas están ofreciendo en la actualidad los rendimientos deseados en términos de capacidad de almacenamiento de hidrógeno y control de los procesos de adsorción / desorción. Recientemente, se han realizado varios estudios sobre el potencial del grafeno (sustancia formada por carbono puro nanométrico bidimensional, con átomos dispuestos regularmente en configuración hexagonal en una lámina de un átomo de espesor) para el almacenamiento de hidrógeno.

La eficiencia en el almacenamiento de hidrógeno se evalúa mediante dos parámetros: la densidad gravimétrica y la densidad volumétrica. Es decir, un buen dispositivo práctico para el almacenamiento de hidrógeno debe ser simultáneamente ligero y compacto. Así el Departamento de Energía de Estados Unidos (DOE) resume las distintas alternativas para almacenamiento de hidrógeno en el gráfico anterior basado en estos dos parámetros.

A partir de los estudios disponibles, la mayoría de ellos todavía en un nivel teórico, el grafeno se presenta como un material prometedor para el almacenamiento de hidrógeno en términos de estos dos parámetros. La posibilidad de crear nanoestructuras de grafeno funcionalizado y sus características peculiares tales como gran conducción eléctrica, robustez y flexibilidad, abre escenarios interesantes para su explotación en la tecnología del hidrógeno del futuro. Esta funcionalización permitirá modificar las características del grafeno proporcionando cualidades específicas para aplicaciones determinadas. En este sentido se han realizado varios estudios teóricos y de modelización y queda mucho trabajo experimental por realizar.

Para aplicaciones de almacenamiento de hidrógeno resulta relevante el hecho de que el grafeno hoy en día se puede producir a gran escala y de forma rentable por varias técnicas (por ejemplo, exfoliación, crecimiento átomo a átomo, obtención previa de óxido de grafeno a partir de grafito). Actualmente, la forma de obtener grafeno en abundancia se realiza mediante exfoliación en fase líquida. En este caso se consigue grafeno en forma de agregados, lo que limita el área superficial disponible para la adsorción de hidrógeno. Por lo tanto la optimización de los métodos de producción de grafeno será crítico para el éxito del desarrollo de dispositivos prácticos de almacenamiento de hidrógeno.

El hidrógeno puede ser adsorbido en grafeno de dos formas diferentes: fisisorción, es decir, interaccionando mediante fuerzas de Van der Waals, y quimisorción, es decir, formando enlaces químicos con los átomos de carbono del grafeno. La primera de ellas se produce generalmente con hidrógeno en forma molecular, mientras que la segunda se da de forma más favorable a nivel atómico. En este último caso, estudios teóricos demuestran que la adsorción del primer átomo de hidrógeno modifica localmente la estructura del grafeno, de tal manera que favorece los enlaces de otros átomos de hidrógeno, estabilizando de forma colectiva la estructura.
Estos estudios generan nuevas esperanzas para el desarrollo de dispositivos de estado sólido eficientes para el almacenamiento y liberación del hidrógeno en condiciones ambientales.